電力機(jī)車/動(dòng)車組高壓絕緣設(shè)計(jì)問(wèn)題探討

郭晨曦

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所,北京100081)

長(zhǎng)期以來(lái),電力機(jī)車或動(dòng)車組的絕緣問(wèn)題一直沒(méi)能得到很好的解決。近年來(lái)投入運(yùn)行的機(jī)車或動(dòng)車組幾乎都是新車型,暴露出的絕緣問(wèn)題除了使用環(huán)境因素外,與絕緣設(shè)計(jì)不合理有直接關(guān)系。到目前為止,國(guó)內(nèi)機(jī)車或動(dòng)車組的絕緣設(shè)計(jì)沒(méi)有遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),即使是同一個(gè)電壓等級(jí),選取的耐受電壓水平也存在較大的差異。比如,不同的機(jī)車牽引主變壓器原邊25 kV側(cè)的額定雷電沖擊耐壓就有125、150、170 kV或185 kV等多個(gè)取值,而耐壓水平的高低和所使用避雷器的保護(hù)水平將直接影響到主變壓器的使用壽命。造成目前狀況的原因是多方面的:①?zèng)]有統(tǒng)一的絕緣配合標(biāo)準(zhǔn);②制造廠商在對(duì)絕緣標(biāo)準(zhǔn)的研究和理解上存在不一致的地方;③引進(jìn)產(chǎn)品是按原生產(chǎn)國(guó)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的,而不同的國(guó)家使用的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同;④由于高壓絕緣失效的特殊性,多數(shù)事故發(fā)生后沒(méi)有留下可直接觀察的證據(jù),判斷事故的性質(zhì)比較困難,對(duì)絕緣事故的處理和認(rèn)識(shí)上有誤區(qū)。因此,我國(guó)有必要加強(qiáng)機(jī)車絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)的研究制定和統(tǒng)一,為今后設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)支持。

1 絕緣配合對(duì)機(jī)車高壓絕緣設(shè)計(jì)的基本要求

高壓電器的絕緣必須能夠在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)承受來(lái)自系統(tǒng)的各種作用電壓而不發(fā)生永久性失效。絕緣配合就是綜合考慮電氣設(shè)備在電力系統(tǒng)中可能承受的各種電壓、保護(hù)裝置的特性和設(shè)備絕緣對(duì)各種作用電壓的耐受特性,合理地確定設(shè)備必要的絕緣等級(jí),以使設(shè)備的造價(jià)、維修費(fèi)用和設(shè)備絕緣故障引起的事故損失,達(dá)到在經(jīng)濟(jì)上和安全運(yùn)行上效益最高的目的。技術(shù)上要處理好各種作用電壓、限壓措施及設(shè)備絕緣耐受能力三者之間的相互配合關(guān)系;經(jīng)濟(jì)上要協(xié)調(diào)投資費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用及事故損失費(fèi)用三者的關(guān)系。絕緣安全裕度越高,發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)就越小,反之則要承受較高的事故風(fēng)險(xiǎn)。

2 車頂高壓外絕緣設(shè)計(jì)

關(guān)于電力機(jī)車和牽引供電系統(tǒng)的絕緣配合在文獻(xiàn)[1-2]中已有較為全面的論述,說(shuō)明了機(jī)車高壓絕緣電氣性能參數(shù)的選取原則。TB/T 1333.1-2002[3]是關(guān)于機(jī)車車輛電氣設(shè)備絕緣的一個(gè)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn),它是從IEC 60077-1:1999[4]直接轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的,但25 kV等級(jí)的技術(shù)指標(biāo)和其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存在諸多不相容的地方。IEC 60077-1是由歐洲國(guó)家主導(dǎo)制定的標(biāo)準(zhǔn),其技術(shù)內(nèi)容主要基于IEC 60071-1:1993[5],與其相對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 311.1-1997[6]與之為非等效,GB 311.1中對(duì)最高運(yùn)行電壓Um≤72.5 kV設(shè)備的外絕緣干狀態(tài)下的短時(shí)工頻耐受電壓進(jìn)行了調(diào)整,比 IEC 60071-1中的規(guī)定值高,而TB/T 1333.1在轉(zhuǎn)化過(guò)程中并沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的修訂。

在我國(guó)標(biāo)稱電壓25 kV交流牽引系統(tǒng),除了電力機(jī)車和動(dòng)車組外,其余高壓電器的絕緣等級(jí)都和35 kV電力系統(tǒng)相同甚至更高,以便和整個(gè)牽引供電系統(tǒng)取得合理的絕緣配合。車頂絕緣子標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3077-2006[7]已完成這一轉(zhuǎn)化工作,可以作為車頂外絕緣設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.1 車頂絕緣子

TB/T 3077中規(guī)定車頂絕緣子的結(jié)構(gòu)高度為400 mm,是綜合了各方面因素之后做出的選擇。要保證絕緣子本身具有適當(dāng)?shù)碾姎饨^緣強(qiáng)度,車頂高壓帶電部分的對(duì)地絕緣凈空一般情況下應(yīng)大于360 mm,有時(shí)可能要求更大。因?yàn)榭諝忾g隙的放電電壓不僅取決于間隙距離,還和間隙形狀密切相關(guān),最終需要通過(guò)雷電沖擊試驗(yàn)或工頻閃絡(luò)電壓試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。絕緣子的額定雷電沖擊耐受電壓為185 kV,工頻干耐受電壓為100 kV,濕耐受電壓為 85 kV,爬電距離不小于1 000 mm。對(duì)受電弓支持絕緣子,機(jī)械彎曲破壞負(fù)荷選取8、12.5 kN或16 kN等級(jí),可以覆蓋目前所有速度等級(jí)的機(jī)車或動(dòng)車組的運(yùn)行需要。

25 kV交流牽引系統(tǒng)絕緣子的電氣絕緣強(qiáng)度主要取決于外部大氣過(guò)電壓(雷電沖擊)和運(yùn)行時(shí)工作電壓下的污穢耐受水平。增加爬電距離主要為了提高絕緣子的耐污穢能力,污穢耐受電壓為32 kV時(shí),瓷絕緣子的等值附鹽密度為 0.15 mg/cm2,復(fù)合絕緣子為0.35 mg/cm2,復(fù)合絕緣子有較強(qiáng)的耐污穢能力。車頂外觀造型應(yīng)當(dāng)考慮高速運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣流場(chǎng)對(duì)車頂絕緣子的影響,盡可能降低特殊氣象條件下在絕緣子表面的覆冰[8]。實(shí)際上,由于硅橡膠絕緣子比瓷絕緣子有較低的覆冰率,更有利于冬季運(yùn)行。

2.2 高壓斷路器

目前我國(guó)運(yùn)行的機(jī)車用高壓斷路器主要有空氣斷路器和真空斷路器。由于真空斷路器遮斷電流能力強(qiáng),工作可靠,已經(jīng)成為機(jī)車或動(dòng)車組25 kV斷路器的首選。從結(jié)構(gòu)形式上分有立式(圖1(a)所示)和T型(或Γ型,如圖1(b)所示)兩種。立式斷路器的真空滅弧室在絕緣套管上半部,而T型斷路器的真空滅弧室被設(shè)置在水平套管內(nèi)。由于受到車頂限高的制約,立式斷路器的絕緣結(jié)構(gòu)高度h通常較T型斷路器低,而達(dá)不到400 mm,因此,立式斷路器的對(duì)地沖擊放電電壓達(dá)不到185 kV,工頻濕耐受閃絡(luò)電壓也達(dá)不到85 kV。采用T型斷路器則可克服這一困難,提高了空間利用率,相應(yīng)地也提高了套管的內(nèi)外絕緣強(qiáng)度。

圖1 高壓斷路器的外部結(jié)構(gòu)形式

從已有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,斷路器斷口間能夠耐受170 kV沖擊可以滿足運(yùn)行要求。也同樣因?yàn)檎婵諗嗦菲饔泻軓?qiáng)的截流能力,切空載變壓器時(shí)可不在電流過(guò)零點(diǎn)滅弧,變壓器繞組中以電流形式維持的磁場(chǎng)能量通過(guò)分布電容轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能量,引發(fā)高頻振蕩過(guò)程,這時(shí)可在變壓器出口引起較高的截流過(guò)電壓,同時(shí)在高壓繞組匝間形成較高的電位梯度,威脅匝間絕緣。因此,必須在變壓器高壓出口采取過(guò)電壓抑制措施,同時(shí)保證斷口間有足夠的絕緣強(qiáng)度,以防過(guò)電壓造成斷路器分閘失敗。為了增強(qiáng)套管的外絕緣性能,采用硅橡膠作傘套,能提高套管外絕緣的污穢閃絡(luò)電壓。套管除了采用瓷質(zhì)或硅橡膠材料外,其他類型的有機(jī)合成材料套管的電氣性能還有待進(jìn)一步考驗(yàn)。

車頂隔離開關(guān)的對(duì)地和隔離斷口間的絕緣強(qiáng)度都應(yīng)達(dá)到車頂絕緣子的絕緣耐壓等級(jí)。

3 高壓電纜及附件

3.1 電纜的絕緣強(qiáng)度

高壓電纜及附件的選用應(yīng)當(dāng)參照 TB/T 2282-1997[9]標(biāo)準(zhǔn)的要求,其中規(guī)定了電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的各項(xiàng)技術(shù)性能和試驗(yàn)驗(yàn)收方法。雖然標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確提出適用于電力機(jī)車或動(dòng)車組,但屬于同一個(gè)電壓等級(jí),電氣性能指標(biāo)也適用于動(dòng)車組使用。在TB/T 2282中規(guī)定電纜的電氣性能:①?zèng)_擊電壓:250 kV,±10次;②成盤電纜的例行工頻試驗(yàn)電壓為69 kV,30 min絕緣不應(yīng)發(fā)生擊穿;③4 h交流電壓試驗(yàn),除終端外,成品電纜試樣長(zhǎng)度不小于5 m,在金屬導(dǎo)體和金屬屏蔽層之間施加交流110 kV,絕緣不應(yīng)發(fā)生擊穿。

應(yīng)當(dāng)指出車頂電纜終端外絕緣等級(jí)應(yīng)當(dāng)達(dá)到車頂絕緣子的電氣性能指標(biāo)。電纜終端外絕緣一般使用硅橡膠傘套,爬電距離取1 200 mm。為方便維護(hù),在機(jī)車或動(dòng)車組上的電纜終端經(jīng)常使用可分離連接器(或T型頭),其電氣強(qiáng)度應(yīng)和普通終端相同。27.5 kV單相銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜及其附件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成起草并報(bào)批,對(duì)電氣性能指標(biāo)要求更加嚴(yán)格,可作為設(shè)計(jì)和選用相關(guān)產(chǎn)品的依據(jù)。

3.2 電纜安裝完成后的試驗(yàn)

根據(jù)TB/T 2282規(guī)定,電纜及附件安裝完成后的電氣性能試驗(yàn)應(yīng)在82.5 kV、15 min的直流電壓下不擊穿,目前,這一方法一般不再使用。最新修訂的《鐵路電力牽引供電工程檢測(cè)規(guī)程》(2008版)對(duì)27.5 kV交流橡塑電力電纜施工完成后的檢測(cè)項(xiàng)目、質(zhì)量要求和檢測(cè)方法做了規(guī)定,交流耐壓試驗(yàn)用交流試驗(yàn)變壓器加工頻電壓55 kV,耐受60 min,應(yīng)無(wú)燒壞和發(fā)熱現(xiàn)象,符合GB 50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

4 牽引變壓器的絕緣強(qiáng)度

牽引變壓器是機(jī)車最主要的高壓設(shè)備,雖然是安裝在機(jī)車內(nèi)部,高壓還是要從接觸網(wǎng)直接引入,因此也就必須承受來(lái)自接觸網(wǎng)的各種作用電壓。變壓器線圈在沖擊電壓作用下會(huì)在繞組不同部位產(chǎn)生過(guò)電壓,主要是由線圈內(nèi)部的自由振蕩過(guò)程和線圈之間的靜電或電磁感應(yīng)過(guò)程引起的,即變壓器繞組中的波過(guò)程。一般情況下,兩個(gè)過(guò)程同時(shí)發(fā)生,但其中一個(gè)起主要作用,這和變壓器繞組結(jié)構(gòu)、布置和接線方式等有關(guān)。根據(jù)對(duì)使用真空斷路器的機(jī)車或動(dòng)車組操作過(guò)電壓試驗(yàn)結(jié)果的分析,斷路器分閘截流后在高壓繞組引起的自由高頻振蕩過(guò)程在低壓繞組內(nèi)感應(yīng)出較高的過(guò)電壓,其中靜電感應(yīng)分量起主要作用。圖2是某型號(hào)機(jī)車分閘過(guò)程時(shí)的高低壓繞組上的端電壓波形。

圖2 高低壓繞組間過(guò)電壓的傳遞

變壓器內(nèi)部絕緣主要是解決縱絕緣和橫絕緣,縱絕緣指的是繞組匝間或?qū)娱g絕緣,橫絕緣指繞組之間或繞組對(duì)地絕緣。沖擊截波能在繞組線匝間、線段間或線層間形成較高的電位梯度,而且低壓繞組的截波感應(yīng)電位比全波感應(yīng)電位要高得多[10]。當(dāng)接觸網(wǎng)遭到雷擊時(shí),首先引起雷擊點(diǎn)附近接觸網(wǎng)絕緣子閃絡(luò),之后形成的沖擊截波沿線路侵入機(jī)車主變壓器。因此對(duì)機(jī)車主變壓器進(jìn)行截波沖擊試驗(yàn)仍然是必要的。

圖3是在變壓器高壓側(cè)有來(lái)波U0時(shí)高低繞組間的靜電感應(yīng)傳遞等效電路。C12和C20分別是高低壓繞組間和低壓繞組對(duì)地的等效分布電容。這時(shí)可以得出低壓繞組上的端電壓:

這里忽略了繞組縱向分布電容。實(shí)際上,由于電感的存在,振蕩過(guò)程將使U20升高。這和繞組結(jié)構(gòu)、分布電容和電感有關(guān)。在進(jìn)行繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),做好高低壓繞組間的屏蔽,即減小了C12,將有利于降低高壓側(cè)來(lái)波對(duì)低壓繞組的沖擊。在低壓繞組增設(shè)阻容吸收裝置或金屬氧化物非線性電阻元件也可顯著降低感應(yīng)過(guò)電壓的影響。

關(guān)于牽引變壓器絕緣在 TB/T 3159-2007[11]中對(duì)27.5 kV繞組的電氣性能規(guī)定:1 min工頻耐受電壓為85 kV,雷電沖擊全波耐受電壓為200 kV,沖擊截波耐受電壓為220 kV。但是TB/T 1680-2006[12]由于是從IEC60310-2004[13]轉(zhuǎn)化而來(lái),直接采納了其中的相關(guān)電氣性能指標(biāo),即1 min工頻耐受電壓為60 kV,雷電沖擊全波耐受電壓為150 kV,沒(méi)有規(guī)定沖擊截波試驗(yàn)。根據(jù)我國(guó)絕緣配合使用導(dǎo)則的要求[14],配合因數(shù)Kc應(yīng)當(dāng)大于1.4,這就要求避雷器的保護(hù)水平,即沖擊電流殘壓應(yīng)當(dāng)?shù)陀?07 kV。顯然,就目前使用的避雷器保護(hù)水平來(lái)說(shuō),安全裕度偏小。在現(xiàn)有技術(shù)條件下,使機(jī)車牽引變壓器絕緣水平達(dá)到TB/T 3159標(biāo)準(zhǔn)要求是完全可能的,只有這樣才能保證變壓器的故障率在使用周期內(nèi)控制在可接受的范圍,并達(dá)到其設(shè)計(jì)的使用壽命。

圖3 變壓器繞組的靜電感應(yīng)等效電路

5 主回路電纜和導(dǎo)體對(duì)地間隙

機(jī)車或動(dòng)車組內(nèi)布置有大量不同電壓等級(jí)的電纜,在制造安裝過(guò)程中,有可能對(duì)電纜造成損傷。因此,完成布線之后必須對(duì)各段電纜進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)以驗(yàn)證其絕緣狀態(tài)是否良好,試驗(yàn)電壓值一般取電纜額定耐壓值的85%。對(duì)于工作電壓低于10 kV電纜的額定工頻耐受電壓和車內(nèi)導(dǎo)體對(duì)地的空氣間隙,可依據(jù) TB/T 1333.1選取,但對(duì)25 kV等級(jí)的電纜和附件則應(yīng)依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選擇?？諝忾g隙的確定應(yīng)視導(dǎo)體具體布置情況做出合理的設(shè)計(jì),最終應(yīng)通過(guò)沖擊試驗(yàn)(無(wú)條件時(shí)也可用工頻電壓試驗(yàn)代替)校核。

6 整車的高壓試驗(yàn)

機(jī)車或動(dòng)車組的車頂受電弓、母線布置和車內(nèi)高壓室的設(shè)計(jì)是否合理,能否達(dá)到和高壓部件相一致的絕緣水平,在將相關(guān)的所有高壓部件組裝完成后,必須通過(guò)相應(yīng)的高壓試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。整車檢驗(yàn)時(shí),如果主變壓器已進(jìn)行過(guò)相應(yīng)的型式試驗(yàn),可以斷開主斷路器,對(duì)車頂高壓設(shè)備進(jìn)行85 kV工頻電壓試驗(yàn)和185 kV雷電沖擊全波試驗(yàn),以驗(yàn)證車頂整體絕緣能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

整車完成后常見(jiàn)的高壓絕緣問(wèn)題主要有兩個(gè)方面:①高壓部件本身的絕緣水平不達(dá)標(biāo)?；ジ衅?、絕緣子和斷路器的外絕緣選擇不當(dāng),絕緣距離和爬電距離不夠。②受電弓帶電體對(duì)地間隙、接地刀閘斷口距離,以及避雷器或電纜終端高壓端對(duì)地間隙等安排不當(dāng),都可能造成雷電沖擊電壓降低,最終應(yīng)通過(guò)沖擊試驗(yàn)來(lái)校驗(yàn)。特別要注意受電弓落弓狀態(tài)的最小對(duì)地間隙也應(yīng)能夠耐受額定沖擊電壓。

操作過(guò)電壓是各單體高壓部件電氣性能的一種綜合作用結(jié)果,因此只能在所有部件組裝完成后進(jìn)行。在主斷路器分?jǐn)嗷蜷]合機(jī)車主變壓器時(shí)會(huì)發(fā)生操作過(guò)電壓,其持續(xù)時(shí)間短,有著很大的隨機(jī)性,每次出現(xiàn)的幅值也不一樣,不易被人們所重視。一旦造成事故,事故原因不易查找。操作過(guò)電壓的發(fā)生具有很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)特征,跟合閘相位密切相關(guān),需要多次試驗(yàn),型式試驗(yàn)一般進(jìn)行不少于15次分、合閘操作。試驗(yàn)表明,在機(jī)車原邊設(shè)置阻容過(guò)電壓吸收回路和無(wú)間隙金屬氧化物避雷器后,可以有效抑制原邊高壓側(cè)的過(guò)電壓幅值,一般限制在1.8倍以下。機(jī)車牽引變壓器次邊繞組為懸浮電位,過(guò)電壓測(cè)試有其特殊性,較詳細(xì)的論述可參閱文獻(xiàn)[15]。

7 關(guān)于海拔高度的修正

當(dāng)機(jī)車運(yùn)行于高海拔地區(qū)時(shí),應(yīng)當(dāng)對(duì)機(jī)車的外絕緣強(qiáng)度做相應(yīng)的海拔高度校驗(yàn)。需要進(jìn)行海拔高度校驗(yàn)的設(shè)備有車頂受電弓和母線支持絕緣子、隔離開關(guān)支柱絕緣子和隔離斷口、斷路器、互感器等外絕緣體,車頂受電弓對(duì)地空氣間隙及車內(nèi)所有導(dǎo)體對(duì)地間隙、爬電距離也要做出相應(yīng)調(diào)整。應(yīng)當(dāng)指出電纜本身的耐壓試驗(yàn)不需要進(jìn)行海拔修正,但高壓電纜終端外絕緣試驗(yàn)電壓則需要進(jìn)行海拔高度換算。根據(jù)GB 311.1的規(guī)定,對(duì)用于海拔高于1 000 m但不超過(guò)4 000 m處設(shè)備的外絕緣,在海拔不高于1 000 m的地點(diǎn)試驗(yàn)時(shí),其試驗(yàn)電壓按規(guī)定的額定耐受電壓乘以海拔修正因數(shù)Ka:

式中H為設(shè)備安裝地點(diǎn)的海拔高度,m。

8 結(jié)語(yǔ)

本文從絕緣配合的基本要求出發(fā),討論了機(jī)車車頂絕緣子、斷路器等高壓設(shè)備外絕緣設(shè)計(jì)的基本原則,特別說(shuō)明了海拔高度換算的使用條件。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)電纜標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)使用情況,提出機(jī)車用高壓電纜應(yīng)達(dá)到的絕緣水平及驗(yàn)收試驗(yàn)方法。分析了機(jī)車主變壓器的絕緣及其對(duì)操作過(guò)電壓的影響。機(jī)車車頂高壓設(shè)備布置或車內(nèi)高壓室結(jié)構(gòu)都將影響整車的高壓電氣性能,最終必須經(jīng)過(guò)整車的沖擊試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。操作過(guò)電壓試驗(yàn)是了解整車過(guò)電壓性能的主要手段,通過(guò)操作過(guò)電壓測(cè)試,可以掌握機(jī)車運(yùn)行后由于過(guò)電壓可能帶來(lái)絕緣失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

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